程序性细胞死亡与细胞衰老

细胞的根本特征：分裂、死亡持续分裂细胞终端分化细胞分化第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老第一节程序性细胞死亡死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中也发生细胞死亡，它是维持个体的正常生长发育及其生命活动所必需的。要求特定基因表达。2002年10月7日英国人Sydney、美国人Horvitz和英国人Sulston，因在PCD方面的研究获诺贝尔生理与医学奖。H.RobertHorvitzJohnE.SulstonSydneyBrenner一、动物细胞的PCD〔一〕细胞坏死〔二〕细胞凋亡〔研究较深入〕〔三〕自噬〔一〕细胞坏死

1.特点被动是细胞受到意外损伤时立即出现的反响。【ATP】↘无法维持细胞存活。细胞质出现空泡，细胞质膜破损，线粒体肿胀，继而溶酶体破裂，细胞内容物流出，引起炎症。DNA随机降解，弥散带。坏死细胞的形态变化2.意义：“替补〞凋亡凋亡不能正常发生而细胞必须死亡时。〔一〕细胞凋亡cellapoptosis1.概念、特征Kerr〔1972〕最先提出，受基因调控的主动的生理性细胞自杀行为，具有一系列生物学特征。P442①-③与细胞坏死的区别是：①细胞凋亡生理性，而细胞坏死是病理性变化。②细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；③凋亡小体内有结构完整的细胞器,线粒体无变化，溶酶体活性不增加；④细胞质膜始终保持完整，细胞内含物不发生外泄，不引起炎症；⑤内切酶活化，DNA有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状。胸腺细胞正常凋亡胸腺细胞正常凋亡小结坏死与凋亡的区别凋亡坏死

胞体变小变大胞膜皱缩肿胀胞核浓缩,溶解,染色质固缩形成染色质裂解块状小体,为颗粒状,位于膜下散在分布胞质浓缩肿胀结果形成凋亡小体细胞崩解无炎症反响引起炎症反响只影响散在单个细胞涉及周边大量细胞组织结构不被破坏组织结构被破坏

形态上凋亡坏死生DNA由内切酶切为不规那么断裂180-200bp或其倍数的片段大小片段不一化电泳结果“梯状〞条带〔DNAladders〕“弥散〞条带酶核酸内切酶等的激活无酶的激活上大分子新基因表达RNA无合成和调控因子合成2、细胞凋亡的生理和病理学意义生理学意义：生长发育：组织与器官的塑造〔趾的分化〕；动物变态；皮肤角质形成；免疫细胞分化：克隆选择，异常淋巴细胞凋亡；生理保护：去除体内多余、受损或危险的细胞而不对周围的细胞或组织产生损害。Sculptingthedigitsinthedevelopingmousepawbyapoptosis〔Wood2000〕趾的分化趾的分化动物变态细胞凋亡使得神经元与靶细胞的数量相匹配50%神经元凋亡，存活神经元与靶细胞建立连接病理学意义病原体侵染；诱导凋亡——HIVAIDS抑制凋亡——Poxvirus痘病毒细胞凋亡缺乏肿瘤，自身免疫疾病；细胞凋亡过度神经退行性疾病〔AD，帕金森症〕、心肌堵塞、再生障碍性贫血、骨组织坏死。3、细胞凋亡的检测方法形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带〔DNAladders〕TUNEL测定法，即DNA断裂的原位末端标记法提取DNA荧光标记3’末端彗星电泳法〔cometassay〕流式细胞分析亚二倍体峰出现梯状条带彗星电泳法凝胶中裂解，短时电泳。正常细胞圆球形。4、细胞凋亡的分子机制Caspase依赖性细胞凋亡〔cysteineaspartate-specificprotease〕半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶非Caspase依赖性细胞凋亡模式生物：秀丽隐杆线虫〔C.elegans〕是研究PCD的理想材料〔生命周期短3d，细胞数量少，透明〕。凋亡基因突变，一系列突变体。有1090个体细胞，131个细胞发生了PCD。线虫(C.elegans)凋亡研究发现ced3，ced4基因促进细胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活，抑制细胞凋亡，胚胎期死亡。Ced3哺乳类同源物是Caspase1〔cysteineaspartate-specificprotease〕。〔1〕Caspase家族相当于线虫的ced-3，是引起凋亡的关键酶。特点：胞质中一组结构类似的蛋白酶，选择性切割某些蛋白质。活性位点均包含半胱氨酸残基；特异切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键caspase〔cysteineaspartate-specificprotease〕。哺乳动物caspase超家族15种P448表13-1Caspase-1、-11〔可能-4〕主要负责白介素前体的活化〔切割〕，不直接参与凋亡信号的传递。凋亡起始者2、8、9、10、112、9含Caspase募集结构域CARD，8、10含串联重复的死亡效应结构域DEDCARD、DED与接头蛋白结合，或彼此结合而聚合。凋亡执行者3、6、7Caspase活化凋亡信号↓凋亡起始者酶原分子聚集成复合物达一定浓度，彼此切割，构象改变↓活性二聚体↓招募异性活化执行者前体Caspase〔切割〕产生有活性的执行者↓〔切割〕细胞核、质中结构蛋白，280种P448表13-2↓细胞凋亡同性活化级联放大激活期：执行期：灭活细胞凋亡发生的抑制剂直接破坏裂解细胞结构裂解某些功能性的酶蛋白异二聚体级联放大〔2〕Caspase依赖细胞凋亡死亡受体起始的外源途径线粒体起始的内源途径P450图13-6①死亡配体主要是肿瘤坏死因子〔TNF〕家族成员。一种具有多种生物学效应的细胞因子，主要生理效应是诱导细胞凋亡和诱发炎症反响。TNF主要由单核-巨噬细胞分泌。②

死亡受体代表成员：Fas和TNF-R1。胞质局部均含有死亡结构域〔deathdomain,DD〕。负责招募凋亡信号通路中的信号分子。fas又称作APO-1，1993年人白细胞分型国际会议统一命名为CD95。Fas诱导的细胞凋亡Fas蛋白与Fas配体组成Fas系统，二者的结合后引起Fas三聚化，通过胞内的DD区与接头蛋白FADD的DD区结合。FADDN端通过DED区〔deatheffectordomain〕与Caspase-8酶原结合，形成死亡诱导信号复合物DISC。Caspase-8酶原通过自身切割激活。Caspase-8激活执行者Caspase-3酶原，导致细胞凋亡。③Bcl-2蛋白家族其他因素刺激〔DNA损伤、紫外线、射线、药物、NO、活性氧等〕，Caspase-8切割Bcl-2家族成员Bid将信号传递到线粒体引发凋亡的内源途径，使凋亡信号进一步扩大。含有1-4个Bcl-2同源结构域〔BH〕。分两类：抗凋亡基因，如：Bcl-2；促凋亡基因，如：Bax。促凋亡蛋白BH结构域受信号刺激后转移到线粒体外膜，能引起线粒体外膜通透性改变，导致多种凋亡因子〔关键因子cytc〕释放，引起凋亡。Bcl-2genefamily〔Zimmermann2001〕BCL-2家族成员④Apaf-1凋亡蛋白酶活化因子-1〔apoptoticproteaseactivatingfactor-1，Apaf-1〕，含CARD的接头蛋白，线虫的同源物为ced-4。Apaf-1与cytc结合后发生自身聚合，通过CARD结构域召集caspase-9酶原，形成一个很大的凋亡复合体〔apoptosome〕，激活caspase-3和caspase-9。作用：参与线粒体凋亡途径，该基因敲除后，小鼠神经细胞过多，脑畸形发育。王晓东：历史上最年轻美国科学院院士〔41〕美籍华人在学术领域地位最高的科学家原籍河南新乡

从事的是细胞凋亡规律的研究。

1996年，发现线粒体释放细胞色素C,引起细胞凋亡;

2000年，发现线粒体释放Smac，可促细胞凋亡.

与邓兴旺一起聘为北京生命科学研究所第一任所长。Caspase级联激活反响还可能起始于细胞核、高尔基体、溶酶体、内质网，机制不清。〔3〕Caspase非依赖细胞凋亡不完全清楚凋亡诱导因子〔AIF〕位于线粒体外膜↓细胞质↓细胞核↓DNA断裂形成50kb片段线粒体限制性内切酶G〔EndoG〕以核小体为单位DNA片段存活因子：多种有丝分裂原、生长因子。↓激活受体胞内激活转录因子NF-κB↓内源性Caspase抑制因子P453表13-4↓存活〔4〕生死抉择：细胞凋亡的调控外源性Caspase抑制因子天花病毒蛋白CrmA，杆病毒蛋白p35，疱疹病毒，痘病毒。内源性凋亡激活因子Smac/DIABLO、Omi/HtrA2，与内源性Caspase抑制因子IAP结合释放被封闭Caspase，引发凋亡线粒体凋亡信号ATM是DNA损伤检验的重要蛋白激酶，能激活P53。P53肿瘤抑制基因，促凋亡因子基因组的守护者。辐射诱导的DNA损伤可通过ATM激活p53，阻断细胞周期，并提高Fas的表达，诱导凋亡。NF-κBP53基因修复受损的DNA，如修复失败那么通过细胞核途径诱导细胞凋亡。〔射线、毒素〕分子警察P53的促凋亡机制：〔1〕DNA结合蛋白，调控基因转录〔细胞核途径〕〔2〕激活线粒体途径〔3〕诱导Fas增加〔4〕诱导溶酶体的不稳定性(三)自噬寿命较长的细胞结构及蛋白质通过细胞自噬途径降解。1.特征细胞中出现大的双层膜〔内质网、胞质膜泡〕的自噬小体，溶酶体降解。不需吞噬细胞协助。2.意义营养危机细胞凋亡的补充途径〔凋亡关键因子被抑制时〕3.机制〔了解较少〕PI3K/AKT信号途径P45713-9二、植物细胞与酵母PCD〔一〕植物细胞PCD〔较晚，不甚清楚〕1.典型PCD：木质部管状细胞成熟过程过敏反响〔感染后自动快速死亡〕2.特征：死亡细胞剩余物被细胞壁固定在原位被自身液泡水解酶消化。诱发机制不同，植物细胞PCD的形态不同例：过敏反响染色质凝集，DNA降解为50kb片段等等P458图13-10管状细胞细胞壁增厚，液泡膜破裂，核DNA迅速降解等。3.诱导因素活性氧、植物激素促进因素：水杨酸、NO、乙烯、赤霉素抑制因素：细胞分裂素、脱落酸、离子浓度平衡破坏。〔二〕酵母PCD1.诱导因素药物P4592.特征与动物细胞凋亡类似3.意义控制群体数量，有限营养优先供给。第二节细胞的衰老一、概念及特征复制衰老：细胞复制能力有限，有限次数分裂。

防止细胞过度生长和癌化的一种保护机制。

Hayflick界限(HayflickLimitation〕

Hayflick界限(HayflickLimitation〕概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是Hayflick界限。癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形态已经不同于原先的细胞细胞的增殖能力与供体年龄有关物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的 ◆决定细胞衰老的因素在细胞内部，不是外部的环境 ◆是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老〔一〕细胞核的变化1.大小体外培养二倍体细胞中，分裂次数↗，核↗，呈函数关系。2.核膜内折与龄俱增3.染色质固缩化与染色质蛋白二硫键数量有关，体外培养细胞〔体内某些细胞〕与龄俱增〔二〕内质网的变化RER解体趋势，排列有序→弥散性，总量减少。〔三〕线粒体的变化数量随龄减少，体积随龄增大。〔四〕致密体的形成←溶酶体、线粒体转化〔五〕膜系统液晶相→凝胶相或固相〔六〕其他间隙连接减少细胞衰老的特征形态变化体外培养细胞衰老生物学特征生长不可逆停滞，细胞停止分裂衰老相关β-半乳糖苷酶活化

pH4.0→pH6.0表现活性β-半乳糖苷酶底物染色P462图13-11〔一〕过失学派代谢废物积累：如：脂褐质自由基攻击：导致DNA、蛋白质变异，正常细胞内存在去除自由基的防御系统：酶系统：超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)；非酶系统：维生素E，醌类等电子受体。二、细胞衰老的分子机理1、细胞有限分裂学说“Hayflick〞极限，即细胞最大分裂次数。L.Hayflick(1961)报道，人的成纤维细胞在体外培养时增殖次数是有限的〔60~70代〕。细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。2、重复基因失活学说：如哺乳动物rRNA基因数随年龄而减少。〔二〕遗传论学派Harley等发现人体成纤维细胞端粒每年缩短14－18bp，1990年，